井式爐廠家從布置方式、裝爐方式、冷卻方式、溫控方案、氮化工藝方案及環(huán)保節(jié)能特點(diǎn)等方面對(duì)氮化爐技術(shù)做了分析比較，指出了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

氮化是指在一定溫度下一定介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的熱處理工藝。該工藝可以顯著提高鋼鐵工件的表面硬度、耐磨損性、耐疲勞性和耐腐蝕性，在動(dòng)力、機(jī)床、石化、機(jī)械、模具等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。國(guó)內(nèi)氮化爐目前主要有井式爐、罩式爐和臥式爐三種，本文針對(duì)不同爐型在布置方式、冷卻方式、氮化工藝及控制策略，進(jìn)行了分析比較。

一、布置方式比較

國(guó)內(nèi)井式滲氮爐目前普遍應(yīng)用的是井式爐。井式爐主要結(jié)構(gòu)部件由爐殼、爐襯、加熱元件、波紋馬弗、波紋導(dǎo)風(fēng)筒、爐蓋及其它輔助設(shè)施組成，爐體布置在地下，節(jié)約空間，但后期維護(hù)成本高。罩式爐主要結(jié)構(gòu)件部分由加熱罩、內(nèi)罩及導(dǎo)流筒、爐臺(tái)及底座、冷卻罩及其它輔助設(shè)施組成，布置于地面以上，爐體承重能力強(qiáng)。臥式爐采用抽屜式裝爐方式，裝爐量大不超過(guò)2.5噸，但容易實(shí)現(xiàn)裝出爐的自動(dòng)化操作。由此看，不同爐型的優(yōu)缺點(diǎn)都比較明顯，具體爐型選擇需要根據(jù)使用要求具體確定。

二、裝爐方式比較

井式爐要先將模具在地面上裝到料架上，再將料架整體吊裝到井內(nèi)。罩式爐裝爐在地面操作，只需要利用吊車(chē)或叉車(chē)將模具一件一件吊裝到料架上，然后加蓋氮化爐罩即可，裝爐比井式爐簡(jiǎn)單方便一些。臥式爐可以通過(guò)機(jī)械化手段實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝出爐，僅需將工件裝入或吊出工作臺(tái)即可，操作簡(jiǎn)便，但輔助設(shè)施占地面積稍大。

三、冷卻方式比較

國(guó)內(nèi)的井式爐主要采用隨爐冷卻方式，工作在完成氮化后停止加熱和保溫，隨同爐體進(jìn)行自然降溫，并且在冷卻過(guò)程沒(méi)有氮?dú)獗Ｗo(hù)措施，冷卻效率低，且在冷卻過(guò)程中易發(fā)生氧化現(xiàn)象，影響模具表面的硬度及耐磨性，降低氮化后的模具壽命。罩式爐在冷卻過(guò)程中首先往內(nèi)罩充入氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，然后冷卻風(fēng)機(jī)沿切線(xiàn)冷卻內(nèi)罩，當(dāng)溫度降低到200℃，再以冷卻水采用噴淋等方式冷卻內(nèi)罩到指定溫度，冷卻效率較高。相同工件相同重量的情況下，井式爐需48小時(shí)冷卻，罩式爐需10小時(shí)冷卻。臥式爐由于裝爐量偏小，因此井式滲碳爐廠家多采用充氮?dú)庵苯永鋮s方式，冷卻效率高，對(duì)工件保護(hù)好。

四、溫控方案分析比較

（一）采用經(jīng)典控制理論

該方案需要對(duì)整個(gè)氮化系統(tǒng)的狀態(tài)方程進(jìn)行辨識(shí)，用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法分別對(duì)不同的加熱區(qū)域進(jìn)行狀態(tài)方程的解析。對(duì)于爐體為多輸入多輸出的系統(tǒng)，各輸入量的相互耦合影響很大，要針對(duì)每段溫度區(qū)域得出狀態(tài)方程，還要對(duì)各段之間的耦合影響進(jìn)行解耦才能找出各段溫度區(qū)域的控制決策。目前比較成功的僅有兩段解耦，因此該方案的具體實(shí)現(xiàn)困難很大。

（二）采用傳統(tǒng)PID控制

現(xiàn)有的多種氮化爐都是采用這種控制策略進(jìn)行分段控制，實(shí)際運(yùn)行證明這種控制方案無(wú)論是超調(diào)量還是穩(wěn)態(tài)誤差均不能滿(mǎn)足要求，而且由于多段溫度區(qū)域的相互耦合作用給PID參數(shù)的整定帶來(lái)很大困難。

（三）采用智能溫度控制器

這類(lèi)氮化爐的溫度控制器采用微處理器數(shù)字控制，采用二自由度PID控制規(guī)律，它能在線(xiàn)自動(dòng)辨識(shí)系統(tǒng)我，自動(dòng)進(jìn)行PID參數(shù)整定，提供兩段目標(biāo)值遷移功能，可滿(mǎn)足兩個(gè)目標(biāo)值的自動(dòng)調(diào)整，并具有多種自診斷和報(bào)警功能，可根據(jù)需要將輸入信號(hào)調(diào)節(jié)成多種輸入形式。

通過(guò)以上分析可知，智能溫度控制器相對(duì)于其它兩種控制方案具有更好的控制性能。

五、氮化工藝比較

國(guó)內(nèi)廠家主要采用控制氨分解率來(lái)進(jìn)行氮化，氨分解率一般控制在20%～41%，屬于輸入端控制，只能控制輸入氨氣的分解指標(biāo)，無(wú)法控制工件具體的氮原子吸收量，因此其控制精度較低，氮化時(shí)容易出現(xiàn)氮化層深度不穩(wěn)定或者氮化層硬度低等缺陷。不同的工件重量、表面積和材質(zhì)對(duì)應(yīng)的氨分解率不同，很難建立比較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，主要靠經(jīng)驗(yàn)積累來(lái)確定各項(xiàng)工藝參數(shù)。

六、節(jié)能性比較

罩式爐分別配有加熱罩和冷卻罩，在完成氮化加熱保溫工藝后可以將高溫的加熱罩吊裝到另外的罩式爐上利用傷勢(shì)進(jìn)行加熱，能大限度地利用余熱，而井式爐受爐體結(jié)構(gòu)限制無(wú)法回收利用這部分余熱，因此罩式爐在節(jié)能方面大大優(yōu)于井式爐和臥式爐。

七、環(huán)保性比較

氮化處理過(guò)程中加入的氨氣無(wú)法完全消耗，因此對(duì)氮化廢氣的處理也非常重要，目前在廢氣處理方面各爐型無(wú)嚴(yán)格的區(qū)分，主要處理方式有裂解燃燒和水吸收兩種方式。少量廠家采用高溫裂解燃燒的方式來(lái)處理氮化過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣，廢氣燃燒系統(tǒng)包括點(diǎn)燃管、截止閥、點(diǎn)火器、球閥等。點(diǎn)火器可通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)控制，點(diǎn)燃用氣為民用液化氣。通過(guò)燃燒爐內(nèi)排出的廢氣所產(chǎn)生的高溫將爐內(nèi)排出殘氨分解完全，確保排入大氣中的氣體為無(wú)害氣體，能夠保證車(chē)間內(nèi)安全與環(huán)保要求。同時(shí)，爐內(nèi)配有完善可行氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)：一旦發(fā)生電氣故障時(shí)保護(hù)性氣體不能及時(shí)供應(yīng)，安全氮?dú)饪勺詣?dòng)沖洗爐膛，以消除爐氣爆炸的潛在危險(xiǎn)并防止工件氧化。國(guó)內(nèi)廠家多數(shù)用水來(lái)處理廢氣，即將廢氣通入到水中，利用水吸收廢氣形成氨水，氨水經(jīng)稀釋處理后外排，這種方式處理不徹底并容易形成二次污染，在車(chē)間內(nèi)有時(shí)會(huì)聞到刺鼻的氨水味，對(duì)操作人員呼吸道造成損害。

八、產(chǎn)能比較

罩式氮化爐由于采用了罩式結(jié)構(gòu)，在氮化處理結(jié)束后，調(diào)走加熱罩，換上特殊設(shè)計(jì)的冷卻罩，通氮?dú)獗Ｗo(hù)，采用強(qiáng)排風(fēng)冷卻至250℃以下，噴水系統(tǒng)噴水冷卻，冷卻時(shí)間可明顯縮短，大大縮短了冷卻工藝周期；同時(shí)高溫加熱罩可以立即在其它爐子上繼續(xù)使用，提高了余熱利用效率，節(jié)約了能源，縮短了加熱工藝周期，因此設(shè)備整體生產(chǎn)效率大幅提高，產(chǎn)能較大。但若罩式爐數(shù)量較少，或?yàn)閱螤t配置，則該優(yōu)勢(shì)也不明顯。

并式氮化爐雖然也采用了強(qiáng)制風(fēng)冷，但由于采用隨爐冷卻方式，爐體蓄熱量較大，冷卻時(shí)間仍相對(duì)較長(zhǎng)，生產(chǎn)效率較罩式爐低。

九、結(jié)論

通過(guò)以上比較，各類(lèi)氮化爐在爐型 、運(yùn)行方式、控制手段、環(huán)保節(jié)能方面存在較大差異，氮?jiǎng)菘刂品绞胶蛷U氣高溫裂解燃燒方式具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在今后的技術(shù)應(yīng)中會(huì)得到逐步推廣。具體爐型選擇方面，井式爐更適合于產(chǎn)能、氮化效果要求不高，爐子數(shù)量較少的情況，性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯；而罩式爐更適合大比量處理，爐子數(shù)量較大的情況，生產(chǎn)效率和節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯；總之，具體爐型的選擇要結(jié)合具體生產(chǎn)實(shí)際情況確定。